Osa 5. lukujonot ja sarjat.

Samankaltaiset tiedostot
5. lukujonot ja sarjat.

5. lukujonot ja sarjat.

5. lukujonot ja sarjat. Suppeneminen. Geometrinen lukujono ja summa. AritmeeMnen lukujono ja summa 1/31/13

5. lukujonot ja sarjat.

Matematiikan tukikurssi

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Jonot. Lukujonolla tarkoitetaan ääretöntä jonoa reaalilukuja a n R, kun indeksi n N. Merkitään. (a n ) n N = (a n ) n=1 = (a 1, a 2, a 3,... ).

Sarja. Lukujonosta (a k ) k N voi muodostaa sen osasummien jonon (s n ): s 1 = a 1, s 2 = a 1 + a 2, s 3 = a 1 + a 2 + a 3,...,

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Matematiikan tukikurssi

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Kompleksianalyysi, viikko 5

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II kevät 2018 Ratkaisut 1. välikokeen preppaustehtäviin. 1. a) Muodostetaan osasummien jono. S n =

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

Matematiikan tukikurssi

Lukujoukot. Luonnollisten lukujen joukko N = {1, 2, 3,... }.

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

Vastausehdotukset analyysin sivuainekurssin syksyn välikokeeseen

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

. Kun p = 1, jono suppenee raja-arvoon 1. Jos p = 2, jono hajaantuu. Jono suppenee siis lineaarisesti. Vastaavasti jonolle r k+1 = r k, suhde on r k+1

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

2 Taylor-polynomit ja -sarjat

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

reaalifunktioiden ominaisuutta, joiden perusteleminen on muita perustuloksia hankalampaa. Kalvoja täydentää erillinen moniste,

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Funktion raja-arvo. lukumäärien tutkiminen. tutkiminen

Talousmatematiikan perusteet: Luento 2. Sarjat Sovelluksia korkolaskentaan

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

VI. TAYLORIN KAAVA JA SARJAT. VI.1. Taylorin polynomi ja Taylorin kaava

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

V. POTENSSISARJAT. V.1. Abelin lause ja potenssisarjan suppenemisväli. a k (x x 0 ) k M

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

x 7 3 4x x 7 4x 3 ( 7 4)x 3 : ( 7 4), 7 4 1,35 < ln x + 1 = ln ln u 2 3u 4 = 0 (u 4)(u + 1) = 0 ei ratkaisua

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

Korkeammat derivaatat

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

funktiojono. Funktiosarja f k a k (x x 0 ) k

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

mplperusteet 1. Tiedosto: mplp001.tex Ohjelmat: Maple, [Mathematica] Sievennä lauseke x 1 ( mplp002.tex (PA P1 s.2011)

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Matemaattinen Analyysi

Diskreetti derivaatta

nyky-ymmärryksemme mukaan hajaantuvaan sarjaan luvun 1 2 kun n > N Huom! Määritelmä on aivan sama C:ssä ja R:ssä. (Kuva vain on erilainen.

Talousmatematiikan perusteet: Luento 2. Lukujonot Sarjat Sovelluksia korkolaskentaan

Matematiikan tukikurssi

1 Reaaliset lukujonot

Matematiikka kaikille, kesä 2017

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Todista raja-arvon määritelmään perustuen seuraava lause: Jos lukujonolle a n pätee lima n = a ja lima n = b, niin a = b.

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

1. Osoita, että joukon X osajoukoille A ja B on voimassa toinen ns. de Morganin laki (A B) = A B.

Outoja funktioita. 0 < x x 0 < δ ε f(x) a < ε.

1 Aritmeettiset ja geometriset jonot

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Onko kuvaukset injektioita? Ovatko ne surjektioita? Bijektioita?

Matematiikan tukikurssi

Sarjojen suppenemisesta

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Matematiikan tukikurssi

Kompleksitermiset jonot ja sarjat

Matematiikan tukikurssi

Mustan kappaleen säteily

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta

4 LUKUJONOT JA SUMMAT

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 6: Alkeisfunktioista

k S P[ X µ kσ] 1 k 2.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Alkulukujen harmoninen sarja

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Kuinka määritellään 2 3?

Tästä saadaan (määrittelyehdon täyttävät) yhtälön ratkaisut x 3 tai x 3.

Lataa ilmaiseksi mafyvalmennus.fi/mafynetti. Valmistaudu pitkän- tai lyhyen matematiikan kirjoituksiin ilmaiseksi Mafynetti-ohjelmalla!

Transkriptio:

Osa 5. lukujonot ja sarjat. Summamerkintä Kurssilla on jo tullut vastaan ns. summamerkintä (kreikkalainen iso sigma): n k=1 Indeksin loppuarvo Indeksi jonka suhteen summataan a k =a 1 +a +a 3 +...+a n Lauseke tai funkjo jonka arvo riippuu indeksistä Indeksin lähtöarvo (usein 0 tai 1) Luetaan: summa a k, jossa k käy 1:stä n:ään. 1

4 i=1 3 k=0 5 å=3 4 Esimerkkejä (i + 3) = (1+ 3)+ ( + 3)+ (3+ 3)+ (4 + 3) = 4 + 5+ 6 + 7 = k = 0 +1 + + 3 =1+ 4 + 9 =14 ( å +1) = ( 3 +1)+ ( 4 +1)+ ( 5 +1) 8.97 Jos summanavan lausekkeen arvo ei riipu summausindeksistä, summan laskeminen on varsin helppoa: (3) = 3+ 3+ 3+ 3 =1 n=1 Lukujono, summa ja sarja. Lukujono on järjesteny joukko lukuja x 1, x, x 3,..., x N Kun jonon alkiot lasketaan yhteen, saadaan summa: N x i = x 1 + x + x 3 +...+ x N i=1 Jos lukujono on äärenömän pitkä (eli N = ) sanotaan summaa sarjaksi (tai joskus sarjan summaksi). Äärellinen lukujonon jäsenten summan voi aina laskea. Jos N on ääretön, sarjan summa voi lähestyä jotain lukua (siis muuta kuin ± ) tai olla lähestymänä.

Suppeneminen Jos sarjan summa lähestyy jotain lukua, sanotaan, enä sarja suppenee (engl. "the series converges"). Jos sarjan summa ei lähesty mitään lukua, sanotaan, enä sarja hajaantuu tai divergoi (engl. "the series diverges"). Tällä kurssilla käsitellään aritmeewsta, geometrista ja Taylorin sarjaa. AritmeeWnen lukujono ja summa a 1 + (a 1 + d) + (a 1 + d) +... + (a 1 + (n -1)d) d = vakio n a a 3 = a 1 + (N 1)d N=1 [ ] a n = n a 1 + a n Esim: 1+ + 3+... +100 =100 1+100 = 5050 Kun n, summa on ääretön (paitsi triviaalissa tapauksessa a 1 = d = 0). Aritmee0nen sarja (aritmee0sen sarjan summa) siis hajaantuu aina. 3

Geometrinen lukujono ja summa a 1 + a 1 q + a 1 q + a 1 q 3 +... + a 1 q n-1 q = vakio n-1 a =! " a 1 q N # $ N=0 a 3 a 4 a n = a 1(1 q n ) 1 q Kahden peräkkäisen termin suhde on aina a n+1 a n = a 1 qn+1 a 1 q n = q Tätä käytetään tesjnä sille onko jokin "tuntematon lukujono tai sarja geometrinen vai ei. Geometrisen sarjan suppeneminen Kun n, summa on äärellinen vain jos q < 1. Tällöin geometrinen sarja siis suppenee, muuten se hajaantuu. Suppenevan geometrisen sarjan summa on:!a " 1 q N # $ = N=0 Esim: lim N a 1 (1 q N ) 1 q = a 1 1 q ( q <1) 1+ 1 + 1 4 + 1 8 + 1 16 +... suhdeluku 1 suppenee 1+ + 4 + 8 +16 +... suhdeluku hajaantuu 1+1+1+1+1+1+... suhdeluku 1 hajaantuu 4

Taylorin sarja Jos funkjolla f(x) on kaikki derivaatat pisteessä x 0 (eli sen voi derivoida kuinka monta kertaa tahansa) niin funkjon voi esinää Taylorin sarjana pisteessä x 0. f(x) = f(x 0 ) + f'(x 0)(x x 0 ) 1 + f'''(x 0 )(x x 0 )3 +... = + f''(x 0)(x x 0 ) f n (x 0 )(x x 0 ) n Käytännössä jos sarja suppenee, tarvitaan vain muutama termi. (Muista: 0! = 1). n=0 n! Esimerkki: alkeisfunkjoiden Taylorin sarjoja Esitä e x ja sin(x) Taylorin sarjoina pisteen x 0 = 0 läheisyydessä. Laske sarjan neljä ensimmäistä termiä. Ratkaisu: Lasketaan ensin tarvinavat derivaatat: d dx d dx (ex ) = e x, d dx (ex ) = e x, d3 dx 3 (ex ) = e x d d3 (sin(x))=cos(x), (sin(x))= sin(x), dx dx 3 (ex )= cos(x) Taylorin sarjan 4 ensimmäistä termiä ovat: f(x) f(x 0 ) + f'(x 0 )(x x 0 )1 + f''(x 0 )(x x 0 ) + f'''(x 0 )(x x 0 )3 5

f(x) f(x 0 ) + f'(x 0 )(x x 0 )1 + f''(x 0)(x x 0 ) + f'''(x 0)(x x 0 ) 3 Saadaan siis: e x e 0 + e0 (x 0) 1 =1+ x + x + x3 6 + e0 (x 0) cos(0)(x 0)1 sin(x) sin(0) + + = x x3 6 + e0 (x 0) 3 -sin(0)(x 0) -cos(0)(x 0)3 + sin(x) x - x3 6 6

Taylorin sarja hyöty Taylorin sarjalla voidaan mikä tahansa analyywnen (eli äärenömän monta kertaa derivoituva) funkjo ilmaista "lokaalisj" (jonkin pisteen läheisyydessä) likimääräisesj polynomina. Tämä helponaa usein laskemista huomanavasj, koska polynomeja on helpompi käsitellä kuin esim trigonometrisia funkjoita. Taylorin sarjakehitelmät ovat usein hyödyllisiä erilaisten raja- arvojen ja likimääräisten arvojen selvinämisessä. Taylorin sarja kemiassa: esim 1 Sähkökentän voimakkuus E etäisyydellä r sähköisestä varauksesta q on (k = vakio): E = kq r Tarkastellaan kahta vierekkäistä saman suuruista muna vastakkaismerkkistä varausta (esim atomeja). Olkoon varausten välinen etäisyys d. Halutaan Jetää sähkökentän voimakkuus, kun ollaan etäisyyden r päässä varausten keskikohdasta (yksinkertaisuuden vuoksi 1 ulonuvuudessa): E = kq (r d) kq d (r + d) r +q q 7

Muokataan hieman: E = = kq (r d) kq (r + d) kq r (1 d r ) kq r (1+ d = kq # r (1 d r ) (1+ d & $ % r ) '( r ) r q d +q Lasketaan sähkökentän voimakkuudelle raja- arvo joka pätee kun r >> d, eli d/r 0. Kehitetään (1+d/r) ja (1 d/r) sarjoiksi muunujan d/r suhteen. (1+x) :n Taylorin sarja x = 0:n ympärillä: (1+ x) (x 0) (1+ 0) (1+ 0) 3 3 (1+ 0) 4 + (x - 0) + (x - 0) +... =1 x + 3x +... 1 x Äsken saajin: (1+ x) 1 x (kun x 0) r q d +q Jolloin (1+ d r ) 1 d r Ja edelleen ja (1 d r ) 1+ d r E = kq # r (1 d r ) (1+ d & $ % r ) '( kq d (1+ r r = 4kqd r 3 (1- d r )) Eli dipolin sähkökentän voimakkuus on kääntäen verrannollinen etäisyyden kolmanteen potenssiin. (Tämä on tärkeää molekyylien välisiä vuorovaikutuksia käsiteltäessä.) 8

Taylorin sarja kemiassa: esim Mustan kappaleen säteilyjakauma (säteilyintensiteew aallonpituudella λ kappaaleen lämpöjlan ollessa T): p(λ)= 8πhc (e λ 5 hc λkt 1) 1 Miltä p(λ) näynää, kun aallonpituus on suuri (λ )? Ratkaisu: merkitään esin x = hc/λkt. Kun λ lähestyy ääretöntä, x lähestyy nollaa. Kehitetään eksponenwfunkjo Taylorin sarjaksi x = 0 lähistöllä. hc 8πhc λkt (e 1) 1 = 8πhc λ 5 λ 5 (e x 1) 1 8πhc (e 0 + e0 (x 0) + e0 (x 0) λ 5 +... 1) 1 hc 8πhc λkt (e 1) 1 = 8πhc λ 5 λ 5 (e x 1) 1 8πhc (e 0 + e0 (x 0) + e0 (x 0) λ 5 = 8πhc (1+x+ x λ 5 +... 1) 1 = 8πhc λ 5 +... 1) 1 (x+ x +...) 1 Jos x on riinävän pieni, x, x 3 jne ovat paljon paljon pienempiä kuin x: voidaan siis unohtaa kaikki korkeammat termit Taylorin sarjasta ja jänää vain lineaarinen termi p(λ)= 8πhc λ 5 (x) 1 = 8πhc λkt λ 5 hc = 8πkT, λ 4 mikä sanuu olemaan klassisen fysiikan mukainen tulos 9